私たちの宇宙では、左手の反射が右手であるように見えます。自然の法則のほとんどは、鏡像に関して対称的であり、弱い相互作用を除いて、同じ法則に従います。何らかの理由で、左利きの粒子だけが弱く相互作用し、右利きの粒子は相互作用しません。
鏡に手を振ると、反射が戻ってきます。ただし、使用しているものとは反対の手で行います。私たちのほとんどにとって、これは問題ではありません-一方を振ることができ、反射は反対に振ることができます。しかし、宇宙の場合、一部の相互作用は左利きの粒子に対してのみ機能します。特に、弱い相互作用を経験している粒子に対しては機能します。どのように検索しても、右側のバージョンは見つかりませんでした。
しかし、なぜ？宇宙はどこにそのような品質を持っていますか、そしてなぜそれは弱い相互作用の場合にのみ現れるのですか？結局のところ、強力な電磁的および重力的相互作用は、左側と右側の構成に関して理想的に対称です。科学におけるこの事実は多くの実験で検証されており、それをさらに深く検証するために新しい実験がすでに準備されています。そして、それは標準モデルの物理学によってよく説明されていますが、なぜ宇宙がこのように設計されているのか誰も知りません。これが私たちがこれまでに知っていることです。
量子障壁を克服することをトンネリング効果と呼びます。これは、量子力学の奇妙な特性の1つです。量子粒子自体にも、測定後に変化しない固有の特性（質量、電荷、スピン）があります。
自分を粒子として想像してみてください。空間を移動すると、質量や電荷などの特定の量子特性があります。また、周囲のすべての粒子（および反粒子）に関する角運動量だけでなく、運動の方向に関する内部角運動量（スピン）もあります。粒子のようなあなたの特性は、あなたがどんな種類の粒子であるかを完全に決定します。
あなたの手で、あなたはあなた自身の2つのバージョンを想像することができます-左利きと右利き。まず、両方の親指を片側に向けます。どちらかの側ですが、片方です。残りの指を握ります。親指を自分の方に向けるように見ると、スピンがどのように異なるかがわかります。この観点から見ると、すべての左利きの粒子は時計回りに「スピン」し[スピンは動きに逆らって向きます]、右利きの粒子は反時計回りに[スピンは向きを変えます]。動きによって]。
左回りの分極は光子の50％に固有であり、右回りの分極は残りの50％に固有です。粒子のペア（または粒子-反粒子のペア）が作成されると、システムの総角運動量を維持しながら、それらのスピン（それらの内部角運動量）は常に合計されます。光子のような質量のない粒子の分極を変えるためにできることは何もありません。
ほとんどの場合、物理学者はあなたのスピンを気にしません-すべての法律と規則は同じままです。トップは、時計回りに回転しているか反時計回りに回転しているかに関係なく、同じ物理法則に従います。惑星は同じ規則に従い、軌道上の移動方向に沿って、または反対方向に軸を中心に回転します。原子内のより低いエネルギーレベルに通過する「回転する」電子は、その回転の方向に関係なく、光子を放出します。ほとんどすべての状況で、物理法則は左右対称であると言われています。
「ミラー対称性」は、粒子と物理法則に適用できる3つの基本的な対称性クラスの1つです。 20世紀の前半には、常に保存された対称性があると信じていました。そのうちの3つは次のとおりです。
- 空間パリティ（P）の対称性。これによれば、物理法則は粒子とその鏡面反射で同じです。
- 電荷対称性©、それによれば、物理法則は粒子と反粒子で同じです。
- 時間反転（T）に関する対称性。これによれば、システムが時間的に前進しているか後退しているかによって、物理法則は変化しません。
物理学のすべての古典的な法則、ならびに一般的な相対性、さらには量子電気力学によれば、これらの対称性は常に保持されます。
自然は、粒子/反粒子、粒子の鏡面反射、またはこれらすべての特性に対して一度に対称ではありません。ミラー対称性を破るニュートリノが発見される前は、弱く相互作用する粒子だけが潜在的なP対称性ブレーカーでした。
しかし、宇宙がこれらすべての変換に対して本当に対称であることを確認するには、可能なすべての方法でそれらをテストする必要があります。この写真に何か問題があることを最初に示唆したのは、1956年にニュートリノを最初に実験的に検出したときです。この粒子は、1930年にWolfgang Pauliによって、放射性崩壊中にエネルギーを運び去ることができる小さな中性量子の形で導入されました。そのような発表の後、しばしば引用されるパウリは不平を言いました：「私は何かひどいことをしました。検出できない粒子の存在を仮定しました。」
ニュートリノは通常の物質と相互作用すると予測されたため、断面は無視できることが判明し、パウリはそれらを検出する現実的な方法を見ていませんでした。しかし、数十年後、科学者は原子を分割することができただけでなく、原子炉が一般的になりました。パウリによれば、これらのリアクターは大量のニュートリノ抗原、つまりアンチニュートリノを生成するはずです。原子炉の近くに探知機が建設され、26年後の1956年に最初の抗ニュートリノが発見されました。
フレデリック・レインズ、左側はクライドコーワン、右側はサバンナ川実験のコントロールパネルで、1956年に電子抗ニュートリノが発見されました。例外なく、すべての抗ニュートリノは右利きであり、すべてのニュートリノは左利きです。標準モデルはこれらすべてを正確に記述していますが、根本的な理由はありません。
しかし、これらのニュートリノについて何か興味深いことに気づきました。例外なく、それらはすべて右利きであり、スピンは動きに沿って方向付けられていました。その後、抗ニュートリノも見つけ始め、それらはすべて左利きで、後方に回転していることがわかりました。
そのような測定は不可能に思えるかもしれません。ニュートリノ（およびアンチニュートリノ）が他の粒子と相互作用することはめったにないため、検出が非常に難しい場合、どうすればそれらのスピンを測定できますか？
事実は、直接測定の結果としてではなく、相互作用の後に現れる粒子の特性を研究した結果として、それらのスピンを学習するということです。これは、今日知られている唯一のスピンゼロ基本粒子であるヒッグスボソンを含む、直接測定できないすべての粒子で行うことです。
ヒッグスボソン崩壊チャネル-標準モデルによって観察および予測されます。 ATLASおよびCMS実験からの最新データが含まれています。信じられないほどの偶然ですが、残念なことでもあります。 2030年代までに、LHCは約50倍のデータを蓄積しますが、多くの減衰チャネルの精度は依然として数パーセントのレベルにとどまります。新しいコライダーは、精度を何桁も向上させ、新しい粒子の存在を発見する可能性があります。
それはどのように行われますか？
ヒッグスボソンは時々2つの光子に崩壊し、そのスピンは+1または-1になります。したがって、ヒッグスボソンのスピンは0または2になる可能性があります。これは、フォトンのスピンの合計または差になるためです。一方、Higgsボソンが崩壊してクォーク/アンチクォークのペアになり、それぞれのスピンが+½または–½になる場合があります。それらを合計して減算すると、0または1が得られます。これらの測定値の1つでは、Higgsボソンのスピンは得られませんが、一緒にすると、1つの可能な値0のみが残ります。
ニュートリノとアンチニュートリノのスピンを測定するために同様の技術が使用されており、宇宙とその鏡面反射が同じではないことはほとんどの科学者にとって驚きです。左利きのニュートリノの前に鏡を置くと、その反射は右利きになります-鏡の中で右に見える左手の場合のように。しかし、私たちの宇宙には、左利きの反ニュートリノがないのと同じように、右利きのニュートリノはありません。どういうわけか、宇宙は気にします。
ある方向に動くニュートリノまたはアンチニュートリノを捕まえると、それらの内部角運動量が、ニュートリノであるかアンチニュートリノであるかに応じて、時計回りまたは反時計回りに回転することがわかります。
これらすべてを理解する方法は？
理論家のLiZhengdaoとYangZhenningは、パリティの法則のアイデアを思いつき、パリティは完全な対称性であり、強い電磁相互作用で維持されているように見えますが、弱い相互作用では適切にテストされていないことを示しました。弱い相互作用は、崩壊中に、ある粒子が別の粒子に変わるときに発生します-ミューオンが電子に変わり、奇妙なクォークが上向きのクォークに、中性子がプロトンに変わります（下向きのクォークの1つが崩壊して上向きのクォークに変わるとき）。
パリティが保持されている場合、弱い相互作用（すべておよびそれぞれ）は、左側の粒子と右側の粒子で同じになります。しかし、違反した場合、弱い相互作用は左利きの粒子でのみ発生します。これを実験的に検証することができれば...
左側のWuJianxiongは、注目に値する優れた実験物理学者です。彼女はいくつかの重要な理論的予測を確認（または反駁）する多くの重要な発見をしました。彼女はノーベル賞を受賞したことはありません。
1956年、Wu Jianxiongは、コバルトの放射性同位体であるコバルト-60のサンプルを採取し、それをほぼ絶対ゼロまで冷却しました。コバルト-60はベータ崩壊中にニッケル-60に変換されることが知られています。弱い相互作用は、核内の中性子の1つをプロトンに変換し、その間に電子と反ニュートリノが放出されます。コバルトに磁場をかけることにより、すべての原子のスピンを整列させることができます。
パリティが保存されている場合、放出された電子（ベータ粒子とも呼ばれます）の両方が平行スピンと逆平行スピンの両方を持つことを観察できます。パリティに違反した場合、放出されたすべての電子は逆平行になります。ウーの実験の驚異的な結果は、放出されたすべての電子が逆平行であるだけでなく、理論的には可能な限り逆平行であるということでした。数ヶ月後、パウリはビクター・ワイスコフに 宛てた手紙の中で、「神が弱い左利きであるとは信じられない」と書いた。
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ただし、弱い相互作用に関与しているのは左巻きの粒子だけです。少なくとも私たちの測定では判断できます。この点に関して、まだ測定を行っていない興味深い問題が発生します。フォトンが弱い相互作用に関与する場合、左利きと右利きの両方のフォトンがその役割を果たしますか、それとも左利きのフォトンのみが役割を果たしますか？たとえば、愛らしいクォーク（b）は、弱い相互作用で奇妙なクォーク（s）に変わります。これは通常、光子の関与なしに発生します。ただし、1000分の1未満のbクォークのごく一部は、光子を放出してsクォークに変わります。この現象はまれですが、調べることができます。
このような光子は常に左利きであることが期待されます。標準モデルのパリティはこのように機能すると考えています（弱い相互作用を壊します）。しかし、フォトンが右利きであることが判明する場合は、現在の物理学の理解に別の亀裂が現れるでしょう。このような減衰の結果の予測には、次のものがあります。
- 光子の予期しない分極、
- 予想とは異なるさまざまな減衰ケースの割合、
- CP不変性の違反。
何よりも、そのような機会はCERNでのLHCbコラボレーションによって研究することができます。最近、彼らは右利きの光子の可能性にこれまでで最も厳しい制限を設定しました。下のグラフが、さらなる実験の結果、原点（0、0）を含まなくなるように曲がっている場合、これは、新しい物理学を発見したことを意味します。
標準モデルが正しいままであるためには、粒子物理学における右利き（C7-prime）および左利き（C7）のウィルソン係数の実数部と虚数部が点（0、0）の近くにとどまる必要があります。 b-クォークとフォトンを含むさまざまな減衰の測定は、これらの条件に最も厳しい制限を課すのに役立ちます。近い将来、LHCbコラボレーションは、さらに正確な測定を行うことを脅かしています。
宇宙は鏡像に関して理想的に対称であり、粒子を反粒子に置き換え、プロセスが展開する時間の方向を、1つを除くすべての相互作用と力について確実に言うことができます。弱い相互作用では、そしてそれらの中でのみ、これらの対称性は保存されません。私たちが行ったすべての測定は、パウリが今日途方に暮れていたであろうことを示しています。対称性の破れが最初に発見されてから60年後、弱い相互作用は左巻きの粒子にのみ関連しているようです。
ニュートリノには質量があるので、最も驚くべき実験の1つは、光の速度に非常に近づくことができる実験です。次に、左利きのニュートリノを追い越して、私たちの視点からのスピンが反対のスピンに変わるようにします。粒子は突然右巻きの抗ニュートリノの特性を示しますか？それとも、右利きになりますが、それでもニュートリノのように動作しますか？それがどんな特徴を持っていても、それは私たちに宇宙の基本的な性質についての新しい情報を明らかにするかもしれません。その日まで、宇宙が本当に左利きであるかどうかを判断するための最良の機会は、間接的な測定でした。まさにそのような実験が現在CERNで進行中であり、そこで彼らは二重のニュートリノレスベータ崩壊を探しています。